土木工程安全多场监测与三维显示软件平台

王正方++贾磊++王静++沈省三++张萌萌++隋青美++曹玉强++赵初林

摘 要：由于传统的光纤土木工程安全监测软件平台功能简单，且监测参数过于单一，已不能满足现场监测的需要。本文根据研制的土木工程光纤监测硬件系统，构建了一套适用于土木工程安全监测的人机交互良好的光纤多参数三维软件平台。应用Microsoft Visual C++ 2010的开发环境，采用MFC基于对话框的整体框架及模块化设计思想进行系统软件平台的开发。该系统以采集处理土木工程关键参数实时显示为核心，首先实现了监测系统参数设置、数据采集处理、三维显示和实时曲线显示、数据库存储等功能，然后采用等比例扩展的算法完成三维立体模拟显示，实现了土木工程安全多场监测与三维显示。

关键词：安全监测；多场；三维显示；MFC

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.15.114

1 引言

近年来，我国土木工程建设蓬勃发展，但同时安全事故频繁发生，造成了重大的经济损失与人员伤亡，因此实现土木工程的安全监测具有重要意义。土木工程现场环境极其恶劣，且影响因素复杂，传统的电类与振弦测技术由于易发生蠕变、耐腐蚀性能差等，不能很好的满足工程需要。光纤传感技术具有抗电磁干扰、防水防潮性能好、无零漂等诸多优点，能够很好的适应土木工程安全监测的需求。目前适用于土木工程安全监测的应变、压力、位移、温度等关键参数的光纤传感器技术已经相对成熟，光纤传感器解调技术与光纤传感器组网技术也已经能够满足工程现场的需要，但是软件平台功能简单，大多只能采集原始波长。

自刘大安提出土木工程安全监测信息系统构想以来，土木工程安全监测系统已渐成规模。曹国金等进行了基于数据库的隧洞工程安全监测管理系统的开发，用于大量现场数据的存储和管理，但是功能相对比较单一，只实现了单一参数的监测；吴金华等开发出的监测资料处理系统在地下工程施工中对监测信息管理、有效性检查和处理较为全面，但是视觉化功能较弱。长久以来，土木工程安全监测软件的开发仍然存在不足，具有三维立体实时显示的可视化软件平台更是少有。因此开发具有友好人机交互界面，对数据进行有效的采集、存储、处理和三维实时显示平台成为土木工程安全监测技术进一步发展的需求。

本文基于研制的土木工程光纤安全监测硬件系统，构建了一套多场三维实时可视化监测软件平台，实现了人机交互良好的多功能的土木工程安全监测，克服了传统软件的功能单一和不能实现三维实时显示等缺陷。

2 系统构建

2.1 监测系统结构

基于土木工程安全监测的光纤多参数监测系统硬件结构框架如图1 所示，整个系统分为三部分：（1）不同监测参数的光纤光栅传感器（温度、位移、应变、渗压等），安装在工程现场的待测点，用于实时监测相应的关键参数的变化情况。（2）光纤光栅解调仪与通道扩展装置。解调仪采用美国MOI生产的4通道光纤光栅解调仪SM125，采集频率为1Hz，波长解调精度为1pm。为了增大传感网络容量，采用了空分复用技术，光开关用于进行光路切换，进而实现通道扩展。（3）计算机与监测软件平台部分，经解调仪解调后的信号通过串口送入计算机，由软件平台进行数据采集、处理、显示、存储等。

2.2 软件设计流程

基于上述光纤传感网络，开发了相应的多参数三维软件平台，经过用户登录，串口、IP等设备参数设置成功后，将光开关和光纤光栅解调仪采集的监测数据进行实时自动处理，通过参数配置，获得位移、温度、应变、渗压等数值，给出，土木工程关键监测场的三维立体显示与关键参数变化趋势显示，并实现数据自动存储，设计流程如图2所示。

3 基于VC++的多场三维软件平台开发

3.1 多场三维软件平台概述

本文针对多场实时监测需求以及当前监测软件的不足，在Microsoft Visual Studio 2010开发环境下，开发了光纤多场三维软件平台。该软件平台主要分为登录与连接配置模块、参数设置模块、数据采集与处理模块、三维显示与曲线显示模块、数据管理模块和报警模块等。根据光栅光纤传感器在土木工程中的分布位置及解调仪采集的数据，用由红到蓝的渐变颜色定义分别定义关键参数的不同变化区间，实现三维立体显示。软件平台主界面如图3所示。

3.2 功能模块设计

3.2.1 参数配置模块

参数配置包括元件配置和监测显示配置。在土木工程安全监测中，需要监控的参数可能随时发生变化，当传感器的类型、数量以及在分布位置发生变化时，可以通过参数配置进行调整，使软件平台具有较强的通用性。

元件配置主要包括六种常用传感器的选择，用户可以通过选择单一或多个类型的元件，与实时曲线显示非模态对话框通过PostMessage函数实现值传递，改变显示曲线的类型和个数。

监测显示配置界面采用列表框实现手动添加和修改网络中传感器的位置、计算参数和补偿参数等，以及在三维显示立方体中的位置和扩展精度等。监测显示配置界面如图4所示。

为传感器信息定义一个结构体SENSORINFO，为列表框添加变量，变量类型为软件为CSensorList类型， CSensorList定义为：

Typedef CTypedPtrList

CSensorList。

CTypedPtrList类是一个模板类，作用类似于链表，有相同于链表的可执行操作。当传感器类型与参数发生变化时，都可以通过查询语句获得数据库保存的参数配置，可灵活实现多场測量。

3.2.2 数据采集处理模块

数据采集模块共有两种通信方式，分别为网络通信和串口通信。解调仪与上位机的通信为网络通信，光开关与上位机的通信为串口通信。网络通信基于TCP/IP协议，利用socket实现网络编程。串口通信通过基于Win32 API函数实现的串口通信的编程步骤完成：（1）打开串口；（2）配置串口；（3） 读写串口；（4）关闭串口。采集模块在网络通信中开辟了一个接收线程，数据以数据包的形式接收。

对数据的处理包括解析数据包、计算中心波长以及计算测量值。计算中心波长需要获取配置参数以及采用光纤光栅解调仪自带的动态链接库（DLL）来求取中心波长。配置参数从数据库中获得。

3.2.3 三维显示与曲线显示模块

三维显示与曲线显示模块是主宰着整个软件平台监测质量。计算机通过网络通信读取解调仪中的原始数据，由数据处理、计算得到对应的测量参数值，进行实时显示和存储。显示模块分三维模拟立体显示和实时曲线显示设置。

三维立体显示根据光栅光纤采集的温度、位移、应变、渗压大小模拟出土木工程场的分布情况，用由红到蓝的渐变颜色显示在立方体中。立方体的绘画采用三维坐标（X，Y，Z）数据转化成平面中二维坐标数据（X，Y）的方法，实现数据的三维显示。响应OnMouseMove函数，拖动鼠标左键可以旋转立方体，多次绘图会出现闪烁，采用CDC双缓冲技术解决，背景定为黑色，利用定时器OnTime函数每隔25毫秒刷新一次屏幕。每隔200毫秒采集的数值在每次刷新时改变立体图中所在位置的颜色。最终效果如图5所示。

渐变颜色计算算法：首先获取两种颜色的R、G、B分量的差值，然后获取显示区域的距离，用R、G、B值除以区域的距离获得每一个像素点R、G、B的变化值（即步长），将起始位置颜色的R、G、B值加上每个像素点的变化值就得到了当前位置的颜色值。算法代码如下：

//得到开始和结束颜色值得R、G、B分量

BYTE r1 = GetRValue（StartColor）；

BYTE g1 = GetGValue（StartColor）；

BYTE b1 = GetBValue（StartColor）；

BYTE r2 = GetRValue（EndColor）；

BYTE g2 = GetGValue（EndColor）；

BYTE b2 = GetBValue（EndColor）；

//计算两个颜色各个分量的差值

r = （double）（r2-r1）/rect.Width（）；

g = （double）（g2-g1）/rect.Width（）；

b = （double）（b2-b1）/rect.Width（）；

//计算当前位置的R、G、B分量

r3 = r1+ i*r； g3 = g1+i*g； b3 = b1+i*b；

实时曲线显示部分主要是使用MFC ActiveX中。

TeeChart Pro Activex control v5控件完成，TeeChart作为优秀的ActiveX图形控件，具有许多优良的特性，它可以有效地解决图形显示问题，使实时数据显示更加直观和易于理解，有保存带曲线图片的函数。本文能根据元件选择动态改变Teechart控件显示的个数，所以采用动态创建的方式，部分代码如下：

m_ctrlChart= new CTChart；

m_ctrlChart->Create（_T（""），WS_VISIBLE，CRect（40， 80，200，300），this，ID_TEECHART）； //动态创建

m_ctrlChart->GetPanel（）.BackImageLoad（m_strPath+_T（"image＼＼back00.bmp"））；//设置背景图片

m_ctrlChart->AddSeries（0）；//添加曲線

m_ctrlChart->AddChartTitle（_T（"温度监测"））；//标题m_ctrlChart->Series（0）.AddXY（（ShowNum[SensorType]%100

），dRValue，strTime，RGB（255，0，0））；//添加数据

m_ ctrlChart->GetExport（）.SaveToBitmapFile（str）；//保存图片

输入目标观测点的坐标，显示此坐标下实时曲线动态变化。界面如图6所示。

3.2.4 数据库模块

软件中关于传感器的参数设置使用数据库方式保存，数据库的设计采用关系型数据库Access，利用PowerDesigner进行数据库的建模，由物理数据模型构建Sensor表。

利用ADO的方式加载数据库，采用数据库连接池。数据库连接池负责分配、管理和释放数据库连接，对数据库连接进行集中管理，它允许应用程序重复使用一个现有的数据库连接。系统启动时建立足够的连接，应用程序需要时直接从数据库连接池中获取连接，程序退出时，清空初始化连接池。

4 总结

实时监测土木工程关键参数，并实现多场三维立体显示，有效获取土木工程安全监测信息，是有效预防土木工程灾害的关键因素。

本文实现了土木工程多场监测软件平台，实现了三维立体显示和实时曲线显示，数据库存储稳定，操作方便，具有报警提示功能，在功能和使用效果上达到了预想的目的。该软件平台进行了长期运行，其运行状态良好，性能稳定，能够很好的满足现场监测的需要。

参考文献：

[1]王静.光纤光栅多参数传感理论技术研究及在地下工程灾害监测中的应用[D].山东：山东大学，2011.

[2]刘大安，刘小佳.地质工程监测信息系统开发[J]，工程地质学报， 1997（04）.

[3]郝小红，崔江利，曹国金.隧洞监测信息数据库管理系统的设计与应用[J]，建井技术，2003（04）.

[4]曹国金，苏超，周澄.隧洞工程监测资讯资料库管理系统设计及其应用[J].岩土工程师，2002，04（02）：34-36.

[5]吴金华，邱先声，金全鑫.监测作业与地下工程[J]，岩土力学与工程学报，1999，18：1181-1184.

基金项目：山东省自然科学基金面上项目（ZR2014FM025）；国家自然科学基金青年项目（41602292）；国家自然科学基金面上项目（41472260）。

作者简介：王正方（1988-），男，山西广灵人，博士，副研究员，研究方向：新型检测技术及应用。

*为通讯作者endprint